（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式系统的web+server的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统从产生到现在已有三十多年的历史，近年来随着半导体技术的 飞速发展，嵌入式处理器的性能也越来越强大，嵌入式处理器在应用数量上远 远超过了各种通用计算机处理器。从1 9 8 5 年第一个a r m 原型在英国剑桥诞生 以来，a r m 3 2 位嵌入式r j s c 处理器的应用已经扩展到各个领域，占据了3 2 位 应用的大部分市场。同时由于工业自动化系统的逐渐普及，伴随着计算机网络 技术的发展和应用，网络的应用必然将渗透到工业应用领域，通过计算机网络 进行工业设备的远程监控成为一种迫切的需求。 本文主要介绍了嵌入式w e bs e r v e r 的构建。 首先，在嵌入式系统中硬件设备的选型至关重要，它影响了嵌入式操作系 统的选择。本文选用三星s 3 c a 5 1 0 b 微处理器构建硬件平台，分析了a r m 7 t d m i 的体系结构特点和s 3 c 4 5 1 0 b 的功能模块，论述了所选的主要外围电路。 其次深入分析了u c l i n u x 应用于嵌入式系统中的关键技术，包括内核组成、 内存管理、多进程管理等，并结合标准l i n u x 对这些关键技术的异同进行比较， 特别对改动最大的内存管理方面进行了重点研究比较。 然后在以上基础上深入研究了嵌入式w e bs e r v e r 的体系结构及工作方式， u c l i n u x 环境下嵌入式i n t e m e t 的通信协议t c p i p 协议栈及工作原理，浏览器与 服务器动态交互实现方法等，并在此基础上构建了服务器。 社会的发展，传统的w e bs e r v e r 已不能满足一些场合的需求，构建嵌入式 w e bs e r v e r 正是为了弥补传统服务器的不足。不同于传统的w e bs e r v e r ，它具有 简单，廉价，功能完善和通用性强等特点，它能够提供远程用户访问和并对现 场进行控制，能在远程监控，智能家电和资源共享等多种场合得到应用。 关键词：嵌入式系统，u c l i n u x 系统，动态w e b 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i th a sb e e nm o r et h a n3 0y e a r ss i n c et h ee m b e d d e ds y s t e mh a db e e ni n v e n t e d i n t h er e c e n ty e a r s 。t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e 啪em o r ea n dm o r ep o w e r f u lw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc m o st e c h n o l o g y t h ee m b e d d e dc p u sh a v eo u t n u m b e r e dt h e g e n e r a lc p u s i n c et h ei n v e n t i o no ft h e f i r s ta r mp r o t o t y p ei n c a m b d d g ei n e n g l a n d t h e3 2 b “a r mr i s cc p uh a sb e e nu s e di na l lk i n d so f 丘c l d sa n di th a s o c c u p i e dm o s tm a r k e to ft h e3 2 - b ka p p l i c a t i o n 。w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fa u t o m a t i o n s y s t e mi ni n d u s t r ya n dw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r k , t h e n e t w o r ki ss u r et ob eu s e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i tw i l lb ee x i g e n to ft h er e m o t e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lu s e di ni n d u s t r i a ld e v i c e s t h cp a p e rm a i n l yd e s c r i b e st h ef o u n do ft h ee m b e d d e dw e bs 4 9 l n e l f i r s t ，t ot h ee m b e d d e ds y s t e md e s i g n , t h ec h o i c eo ft h eh a r d w a r ei sv e r y i m p o r t a n t t h i sw o u l di n f l u e n c et h ec h o i c eo ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 飚 p a p e ru s e st h es 3 c 4 5 1 0 bm i c r o p r o c e s s o rt oc o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r m , a n a l y s e s t h es y s t e ms t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fa r m t i d m ia n dt h ef u n c t i o nm o d u l eo f s 3 0 牾1 0 b a n dd e s c r i b e st h em a i np e r i p h e r a lc i r c u i tu s e di nt h es y s t e m s e c o n d , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ek e yt e c h n o l o g yo fa p p l y i n gu c l i n u xt ot h e e m b e d d e d s y s t e m , i n c l u d i n g t h ek e r n e l a r c h i t e c t u r e ，m e m o r ym a n a g e m e n t , m u l t i t h r e a d i n gm a n a g e m e n t , e r e i ta l s oa n a l y s e st h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so f t h e s ek e yt e c h n o l o g yb e t w e e nt h eu c l i n n xa n dt h es t a n d a r di a n u x , a n de s p e c i a l l y e m p h a s i z e st h em e m o r ym a n a g e m e n t , b e c a u s et h em e m o r ym a n a g e m e n tm e c h a n i s m i sc h a n g e dm u c hf r o mt h es t a n d a r dl i n u xt 0u c l i n u x t h e nb a s e da b o v e , s o m er e l a t e dt e c h n i q u e sa r ed e e pr e s e a r c h e di n c l u d i n gt h e s y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dt h e p r i n c i p l e o ft c p w p r o t o c o l w h i c ha l et h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h ee m b e d d e di n t e m e t , r e a l i z a t i o np r o c e s so ft h e d y n a m i cc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb r o w s e ra n ds e r v e rc t e a f t e rt h a t , t h l sp a p e r r e a l i z e daw 曲s e r v e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h et r a d i t i o n a lw 曲s e r v e rh a sa l r e a d yc a n t s a t i s f yt h en e e do fs o m es i t u a t i o n s b u i l d i n gt h ee m b e d d c dw e bs e r v e ri se x a c t l yf o r m a k i n gu pt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a ls e r v e r d i f f e rf r o mt r a d i t i o n a lw e bs e r v e r , i th a s c h a r a c t e r i s t i c so fb r i e f n e s s , c h e a p , p e r f e c tf u n c t i o na n ds t r o n gg e n e r a ln s ee t c i t 锄 p r o v i d eac u s t o m e rt e i n e tt h es e r v e r , i n t e r v i e wi ta n dd os o m ec o n t r 0 1 i tc a l lg e ta n 武汉理工大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ni nv a r i o u ss i t u a t i o n ss u c ha sr e m o t ec o n t r o l ，i n t e l l i g e n tf a m i l yd e c t r i c a p p l i a n c e sa n d t h es h a r e o f i n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u xs y s t e m ，d y n a m i cw e b h i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着微电子技术、计算机技术的飞速发展，嵌入式系统得到广泛的应用。 由于嵌入式系统具有体积小、功耗低、功能强等特点，嵌入式系统已广泛地应 用于工业控制系统、信息家电、通讯设备、医疗仪器、军事设备等众多领域， 人们日常生活和工作中接触的仪器和设备中，大都嵌入了高效的微处理器。它 们中的大多数还游离于i n t e r a c t 之外，但随着网络技术的发展和应用，越来越多 的嵌入式设备要求内嵌w e b 服务器，以便通过i n t e r n e t 网络对它们进行访问，实 现远程控制和信息共享的目的f l j 1 。1 嵌入式系统及其发展趋势 微电子技术的迅猛发展使得嵌入式系统广泛地融入人类的生活。嵌入式系 统是软件和硬件的结合体，它的正式定义为：以应用为中心，以计算机技术为 基础，软硬件可裁减，符合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要 求的专用计算机系统。嵌入式系统通常由3 个部分组成：嵌入式处理器，相关 的硬件支持设备，以及嵌入式软件系统。其中，嵌入式处理器是嵌入式系统中 的核心部件。按照功能和用途划分，其可以进一步细分为以下几种类型：嵌入 式微控制器m c u ( e m b e d d c dm i c r o c o n t r o u e r ) ，嵌入式微处理器m p u ( e m b e d d c d m i c r o p r o c e s s o r ) 、嵌入式数字信号处理器d s p ( e m b e d d c dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p s e t ) 2 1 1 3 1 。 嵌入式系统发展至今已经有3 0 多年的历史，其大致经历了四个发展阶段： 以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检测、伺服、指示设备相配合 的功能；以嵌入式中央处理器( c 咖为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系 统；以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；以基于网络操作为标志的嵌入式 系统。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，其具有如下的特点； ( 1 ) 嵌入式系统是针对具体应用的专用系统。它的硬件和软件都必须高效地 设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 ( 2 ) 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容 武汉理工大学硕士学位论文 性等方面均受到应用要求的制约。 ( 3 ) 嵌入式系统一般要求高可靠性，在恶劣的环境或突然断电的情况下，要 求系统仍然都能够正常工作。还有许多嵌入式系统应用要求实时功能，这就要 求嵌入式系统具有实时处理能力。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 ( 5 ) 嵌入式系统市场是一个分散的行业，充满了竞争、机遇与创新，没有任 何一个单一的处理器( 或处理器集) 和操作系统能够垄断全部市场。 当前，嵌入式系统已经广泛地渗透到工业流水控制、通讯、仪器仪表、汽 车、船舶、航空航天、军事装备、农业、生物、交通、金融、消费类产品等领 域【4 l 。随着国内外各种嵌入式产品的进一步开发和推广，嵌入式技术将越来越和 人们的生活紧密结合，成为后p c 时代盯领域发展的主力军。 随着技术的发展，嵌入式技术也出现一些薪的发展趋势，主要体现在以下 几个方面： ( 1 ) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持； ( 2 ) 联网成为必然趋势； ( 3 ) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本； ( 4 ) 提供精巧的多媒体人机界面。 1 2 嵌入式i n t e m e t 1 2 1 嵌入式i n t e m e t 的概念 嵌入式h t e m e t 是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌 入式模块而非p c 系统直接接入h t c m e t ，并以m t c m c t 为介质实现信息交互的技 术，通常又称作非p c 式k t c m e t 接入。 嵌入式h t e m e t 技术的目标是将小型简单的低成本嵌入式系统连接到 h t e m c t ，充分利用网络资源，实现更广范围的信息共享和更多类型的信息、服 务。嵌入式h t c m c t 在嵌入式系统应用领域的革命性举措是它有效地解决了嵌入 式系统不统一的网络协议标准和人机接口的矛盾。目前许多公司和组织( 包括 s i m c m ，p h i l i p s ，m o t o r a l a 等) 成立了嵌入式h t e m e t 联盟( e 1 田来专门讨论和制定 嵌入式m t c m e t 领域的标准和开发相关的技术。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 的研究背景及应用前景 当前嵌入式系统已经在家庭和工业的各个领域得到了应用。但目前大多数 嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些监测、伺服、指示 设备配合实现一定的功能。另一方面，i n t e m e t 和光纤主干网技术的飞速进展， 使得基于分组交换技术的通信性能、质量和可靠性得到稳步提高，i n t e m e t 已成 为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道【5 】 如果嵌入式系统能够连接到i n t e m e t ，我们就可以将所有设备的信号都通过 网络来传送，而且还可以做到通过网络充分共享多种设备，随时查看嵌入式设 备的情况，并指挥运转这些设备，从而方便、低廉地将信息传送到几乎世界上 的任何地方。可以预言，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合代表着嵌入式系统和网络 技术的真正未来。 过去也有远程采集现场设备的数据、进行远程显示和控制的一些方法，但 是数据的传输大多采用r s 2 3 2 ，r s - 4 8 5 以及各种现场总线，这些方式存在着通 信速度不够快，距离不够远的缺点，而且各种总线之间难于实现互连和互操作， 配套的软件和硬件要单独设计 6 1 。相比之下，嵌入式i n t e r n e t 技术可以充分利用 现有的i n t e m e t 网络和通信协议，设计和使用都更加方便同。嵌入式i n t e r n e t 有 以下的优点： ( 1 ) 不需要专用的通信线路，充分利用现有的网络资源； ( 2 ) 传输速度快、距离远： ( 3 ) 传输的数据多种多样，可以是字符、文本、图像、音视频等各种多媒体 数据； ( 4 ) 协议更具有通用性，任何种w e b 浏览器下都可以使用； ( 5 浦息直接反映到网页上，形式多种多样，实时数据会自动更新； ( 6 ) 每传一次信息，所有想收到信息的用户机都可以按照各自的终端要求给 予显现和操作； 软件可靠性更高，而且有很多实用参考代码可供利用。 嵌入式i n t e r n e t 的广泛应用将未来世界变得更加自动化、智能化和人性化， 连入互联网的嵌入式系统的出现，将给地球披上“电子皮肤”。嵌入式片上系统 ( s y s t e mo nc h i p ) 被称为“瘦服务器”，包括美国贝尔实验室总裁a r u nn e t r a v a l i 在内的一批科学家对未来i n t e m e t 的发展方向做出了预测：“在不久的未来，将 会产生比p c 时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务 3 武汉理工大学硕士学位论文 器将与这个世界你能想到的各种物理信息、生物信息相联接，通过i n t e m e t 自动 地、实时地、方便地、简单地提供给需要这些信息的对象【咖。 1 2 3 嵌入式i n t e r n e t 的研究现状及关键问题 嵌入式i n t e r a c t 技术就是要实现嵌入式系统连接到i n t e r a c t ，要求嵌入式系统 在软件上实现有关的i n t e r a c t 通信协议，解决数据的封装、编码及发送接收等问 题；并在硬件上具有一定的计算和存储能力，提供高效处理l p 数据包需要的网 络带宽和吞吐量。 由于嵌入式系统自身的特点，按照传统p c 的方法将嵌入式系统接入i n t c r n e t 存在很大的困难。其困难在于，i n t e r a c t 上面的各种通信协议对于计算机存储器、 运算速度等方面的要求比较高，而嵌入式系统中除部分3 2 位处理器以外，大量 存在的是8 位和1 6 位嵌入式m c u ，它们存储容量小，运行速度较慢，支持t c p i p 等h t c m c t 协议将占用大量系统资源。另外，传统的t c p i p 协议在实现实时性 方面做得不够好，它把大量的精力花在保证数据传送的可靠性以及数据流量的 控制上。而在实时性要求比较高的嵌入式领域中，传统的t c p i p 不能满足其实 时性要求。 因此，从简洁实用的角度出发，需要把传统t c p f l p 在不违背协议标准的前 提下加以改进实现，使其实现性得到提高，占用的存储空间尽可能少，以满足 嵌入式应用的要求。 目前实现嵌入式系统接入i n t e r a c t 的方案主要有以下几种： ( 1 ) 微处理器微控制器+ 实时操作系统( r t o s ) 这种方案采用1 6 3 2 位的高档单片机，在r t o s ( 实时多任务操作系统) 的平 台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理，1 6 位或3 2 位的 嵌入式系统具有较强的计算处理能力，有足够的能力和资源在实时操作系统并 完成很多复杂的功能。随着微处理器价格急剧下降，利用r t o s 开发嵌入式应用 系统已经逐步成为潮流，国外许多公司提供了具有t c p f l p 协议支持的实时操作 系统，如v r t x ，n u c l e u s ，u c o s ，q n x ，v x w o r k s ，r t x c ，c m x r t x 等， l i n u x 也在向这个领域进军。根据系统性能要求，选择合理的微处理器及其开发 套件，选取适当的r t o s 软件包，可以提高系统开发效率，最终达到系统目标。 但这种方案存在如下缺点：a 高档单片机价格较贵，开发周期较长；b 需要购买 昂贵的r t o s 开发软件，对开发人员的开发能力要求较高。 ( 2 ) 网关+ 轻量级设备网 4 武汉理工大学硕士学位论文 采用专用网络( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a nb u s 等) 把- d , 批单片机连接在一起， 然后再将该专用网络连接到一个p c 上，该p c 作为网关将专用网络上的信息转 换为t c p i p 协议数据包，然后发到网上实现信息共享。这种方式可以降低对嵌 入式系统的要求，使用范围广泛，可以连接多种单片机，可充分利用已经大量 存在的8 位和1 6 位嵌入式产品，集中分散的小型设备成为网络，并提供使用 i n t c r n c t 进行信息交互的手段，有利于设备远程访问和实时监控。但是这种方案 也存在如下的缺点；a 需要一个专门的嵌入式网关，对于过于分散的嵌入式系统 而言，嵌入式系统和网关之间的通信需要专门的网络布线，即不方便也加大了 成本。b 需要在p c 机上安装专门的协议转换软件，这种软件通常由专门的第三 方软件商提供，费用较高。 0 ) i n t c m e t 控制器+ 固化的协议栈 这个方案是由m c u 及固化了t c p i p 协议的芯片组成应用系统的核心。应 用系统可以直接拨号上网，硬件电路相对简单。但需要大容量的存储器，如果 所用的t c p i p 协议芯片是软件固化的，还要求m c u 有较高的运行速度。采用 这种方案的芯片有s c e n i xs e m i c o n d u c t o r 公司的s x - s t a c k ，c o n n e c to n e 公司的 i c h i p 等，其中s c e n i x 公司的单片机为软件固化协议，其它芯片为硬件固化。 此方案具有开发时间短、系统成本低的优点。因此对于开发小型、价廉的 信息终端产品是比较好的选择。 8 ，1 6 位低端嵌入式系统的简化方式 对于大量存在的8 位和1 6 位m c u ，由于其速度较慢，内存较小，如要支 持t ( 驯口协议将占用大量系统资源，或根本不可能。考虑到这类系统功能较为 单一，数据量较小，可以根据实际要求尽量简化，即提供最低要求的t c p i p 堆 栈和最精简的t c p i p 协议。如实现简化的w e bs e r v e r ：简化i c m p 协议；使用 u d p 协议而不是t c p 协议等。精简后的t c p i p 协议虽然功能受到了一定的限 制，但对于这种低端嵌入式系统的要求而言，如传送少量数据或是信号，还是 完全可以胜任的。而且，这种方式的实现成本很低，在很多场合下，也不失为 一种可行的低端嵌入式以太网解决方案， ( 5 ) m c u + e m l t 协议+ e m g a t e w a y 协议 采用c m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e m e t 网络技术e m i t ( e m b e d d e d m i c r o i n t c m c tw o r k i n gt e c h n o l o g y ) ，在应用系统的m c u 内部使用e m n c t 协议， 再通过e m g a t e w a y 网关与i n t e m e t 进行连接。e m g a t e w a y 网络软件接口可以安 装在计算机、t v 机顶盒或专用的家用电器服务器中，它支持t c p i p 协议并运 5 武汉理工大学硕士学位论文 行h t r p 服务程序，作为用户可以通过网络浏览器浏览访问远程服务器。 e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 ，c a n 红外及射频等通信方式与多个嵌入式设 备相连。每个嵌入式设备的应用程序包含一个独立的通信任务，称为e m m i c r o ， 监测嵌入式设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到e m g a t e w a y 中，同时 e m m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中的变量，或进行某种控制。 为了完成网络连接，e m w a r e 公司开发了大量软件来建立访问和监控m c u 应用 系统的接口，这些接口可以在不同的设备中。 这种方案具有一定的性能价格比优势。但应用系统设计工程师必须熟悉 e m n e t 协议和相关的接口，原来客户应用系统的m c u 也不一定符合要求，并且 软硬件设计的工作量仍然较大。同时，应用系统的单片机处理e m n e t 协议要占 用一定的系统资源。 1 3 论文研究工作与论文结构 本论文在分析了目前嵌入式系统接入i n t e m e t 的研究现状和实现方法的基础 上，进一步设计了自己的解决方案并得以实现。论文采用前文所介绍的“微处 理器微控制器+ 实时操作系统( r t o s ) ”方案并进行改进，选择在3 2 位嵌入式系 统上使用免费的r t o s 进行开发，研究并实现实时操作系统在嵌入式系统上的移 植。另一方面对现有的t c p i p 协议进行分析后，对其进行裁减和简化，设计和 实现适用于嵌入式系统远程实时监控的嵌入式t c p 1 p 协议栈。最后利用这个嵌 入式t c p i p 协议栈实现一个嵌入式w e b 服务器，可在网络上通过浏览器快捷、 方便地查看嵌入式系统的运行情况并对其发出相应的控制指令。具体实现时， 硬件平台以a r m 核微控制器$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心，软件系统则是在c l i n u x 实时 操作系统下开发的。文章安排如下： 第一章为绪论，介绍嵌入式i n t e r n e t 的背景和论文所作的工作。 第二章设计和实现系统的硬件平台。 第三章研究u c l i n u x 嵌入式实时操作系统的内核机制，分析其作为无m m u 操作系统的特点，并与标准l i n u x 系统做出比较，为系统移植和程序开发打下基 础。 第四章对传统t c p 1 p 协议进行裁减和简化，设计和实现适用于远程监控的 嵌入式t c p i p 协议栈；研究嵌入式w e bs c t - v c r 技术，并给出具体实现方法，在 验证嵌入式t 驯m 协议栈的有效性的同时，重点研究了嵌入式w e bs e r v e r 与浏 6 武汉理工大学硕士学位论文 览器的动态交互技术。 第五章为结束语，对本文的工作进行了总结，并提出对今后工作的展望。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统的硬件平台 嵌入式系统的硬件部分至关重要，本章主要分析了现在比较流行的a r m 处 理器架构，并以a r m 为核心构建了嵌入式系统的硬件平台。 2 1 嵌入式系统的处理器a 刚 2 1 1 嵌入式处理器简介 a r m 处理器基于r i s c ( 精简指令集计算机) 技术，与c l s c ( 复杂指令集计算 机1 技术相比其指令集及相应的代码解释机制都得到了简化，这种简单性使用一 个小型廉价的芯片即可实现较高的指令吞吐量及实时中断响应性能 s l 。 a r m 的r i s c 体系结构、低功耗、小体积和高性能适合于便携式、嵌入式 和多媒体应用领域，其t h u m b 指令集较好的处理了r i s c 处理器常见的代码大 小问题，系统设计者可以充分利用3 2 位r i s e 内核提供的高性能和大寻址范围。 这使得应用开发可以提高功能和性能而保持有竞争性的系统开销和功耗。 a r i v l 处理器有以下特点： ( 1 ) 体积小、功耗低、性能高、成本低； ( 2 ) 支持1 6 3 2 位双指令集； ( 3 ) 大量使用寄存器，大多数据操作都在寄存器中完成，指令执行速度更快； ( 4 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 5 ) 指令长度固定； a r m 处理器目前包括以下几个系列的处理器产品：a r m 7 ，a r m 9 ， a r m g e ，a r m l 0 e ，a r m l l 系列，s e c u r c o r e 系列以及i n t e l 的x s c a l c 和 s t r o n g a r m 。 2 1 2 a r m 微处理器的应用 a r m 核芯片是典型的3 2 位r i s c 芯片，不论是在p d a ，s t b ，d v d 等消 费类电子产品中，还是在g p s 、航空、勘探、测量等军方产品中都得到了广泛 的应用。目前7 5 以上的手机是基于a r m 内核的产品【9 】。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3a r m 7 体系结构 a r m 7 系列低功耗3 2 位r i s c 微处理器内核，是对价格和功耗要求较高的 最优选。a r m 7 系列内核最高处理能力可达1 3 0 m i p s ( d h r y s t o n e 2 1 1 ，并集成了 t h u m b1 6 位指令集，使得在8 1 6 位的系统上也能达到3 2 位处理器的性能。 现在全球已有4 0 多家公司通过a r m 7 系列内核来提供a s i c s ，a s s e s 及片 上系统解决方案。越来越多的芯片厂商早已看好a r m 的前景，如i n t e l ，n s ， a t m e l ，p h i l i p s ，n e c ，c l r r u s l o g i e 等公司都有相应的产品。在全球的广泛被接 受使得a r m 内核得到了广泛的设计和系统支持，从而更能满足人们对更短的设 计和开发周期的要求，缩短产品的上市时间l l o 】。 a r m 7 系列内核包括a r m t t d m i ，a r m 7 t d m i s ，a r m 7 f j s 和a r m 7 2 0 t 共四款，每一款都面向着不同的市场应用。 a r m 7 t d m i s ：a r m t t d m i 内核的集成版，适用于对可携带性、灵活性要 求较高的系统设计； a r m 7 e j s ：功能增强了的可集成内核，其体系结构和扩展的指令集用a r m 的j a z e u e 技术支持d s p 操作和j a v a 程序的快速执行； a r m 7 2 0 t ：带有8 k 的通用缓存和内存管理单元( m m u ) 的整型内核。支持 包括w i n d o w s c e ，p a l mo s ，s y m b i a no s 和l i n u x 在内的多种平台上的应用。 2 1 4 a r m 7 t d m i 内核 a r m 7 t d m i 是业界应用最广泛的3 2 位r i s c 嵌入式微处理器内核，是对价 格和耗电敏感应用的最佳选择，允许系统设计者构造小体积、低功耗和高性能 的嵌入式设备。 a r m 7 t d m i 具有三级流水线，这种处理器体系结构基于冯- 诺依曼的 l o a d s t o r e 体系结构，特征是指令与数据的传输共用数据、地址总线。c p u 有两 种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指令集。a r m 指令集指令长度为3 2 位，可提 供最佳性能；t h u m b 指令集数据长度为1 6 位，提供最高的代码密度。指令可操 作8 位、1 6 位和3 2 位的数据类型。c p u 有七种操作模式，每一种都有指定的寄 存器用于快速执行处理。处理器共有包括6 个状态寄存器在内的3 7 个3 2 位寄 存器。 a r m 7 t d m i 内核有如下特点【i l l ； ( 1 ) 3 2 1 6 位r i s c 体系结构( a r mv 4 ，n ； 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 3 2 位a r m 指令集，具有更高的执行效率和灵活性： ( 3 ) 1 6 位的t h u m b 指令集，支持更高的代码密度； ( 4 ) 通用的总线接口，3 2 位的数据总线同时传输指令和数据； ( 5 ) - - 级流水线； ( 6 ) 3 2 位的运算器和高性能乘法器； 体积小，功耗低； 2 1 5a r m 处理器的选型 现在市面上流行a r m 微处理器包括三星s 3 系列、c i r r a s l o g i c 的e p 系列、 a t m e l 的a r m 系列、飞利浦的l p c 系列。 其中三星的a r m 内核的处理器在网上的流行的比较广泛，在g o o g l e ( 6 e 文 网页) 和百度进行搜索，它的应用文章是最多的。用g o o g l c ( 英文) 进行搜索，其中 三星、c i r r u s l o g i c 和a t m e l 比较多。 在这里我们选择三星的s 3 c 4 5 1 0 b ，它是一款基于以太网应用系统的高性价 比1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设计的a r m 7 t d m ir i s c 处 理器，最适合用于对于价格及功耗敏感的场合。 2 2 系统的硬件结构设计 嵌入式系统硬件平台包括中央处理器、外围的控制电路、只读存储器、可 读写存储器和外围设备和网络控制单元。由于嵌入式系统芯片的多样性，各模 块芯片都有较大的选择空间。在选择上述硬件平台模块的具体芯片时，通常需 要考虑它们的功能、功耗、封装、体积、成本、可靠性、电磁兼容性等方面， 并在尽量满足应用需求的同时尽量减少冗余功能，以节约成本。本文根据需要 选择实验平台各模块的芯片f 】习 系统硬件平台主要的组成模块有：电源电路模块、复位电路模块、j t a g 接 口电路模块、串口电路模块、键盘、l c d 等f o 模块、网络控制模块等。 ( 1 ) 电源电路模块 在系统中需要使用5 v 和3 3 v 的直流稳压电源，其中，$ 3 c 4 5 1 0 b 及部分外 围器件需3 3 v 电源，为简化系统电源电路的设计，要求整个系统的输入电压为 高质量的5 v 的直流稳压电源。 武汉理工大学硕士学位论文 有很多d c d c 转换器可以完成5 v 到3 3 v 的转换，在此选用l i n e a r t e c h n o l o g y 的l t l 0 8 x 系列的l t l 0 8 6 ，其对应电流输出为1 5 a ( 2 ) 晶振电路与复位电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。在该系统中，$ 3 c 4 5 1 0 b 使用有源晶振。不同于常用的无源晶振，有源晶振的接法略有不同。常用的有 源晶振的接法如下图2 1 所示。 图2 1 系统的晶振电路 根据$ 3 c 4 5 1 0 b 的最高工作频率以及p l l 电路的工作方式，选择1 0 m h z 的 有源晶振，1 0 m h z 的晶振频率经过$ 3 c 4 5 1 0 b 片内的p l l 电路倍频后，最高可 以达到5 0 m h z 。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统 可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造 成的高频噪声【冽 有源晶振的1 脚接5 v 电源，2 脚悬空，3 脚接地，4 脚为晶振的输出，可通 过一个小电阻( 此处为2 2 欧姆) 接$ 3 c 4 5 1 0 b 的x c l k 引脚。 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键 复位功能。复位电路可由简单的r c 电路构成，也可使用其他的相对较复杂，但 功能更完善的电路。 本系统采用较简单的r c 复位电路，其复位逻辑是可靠的【1 4 】。复位电路如图 2 2 所示。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 系统的复位电路 该复位电路的工作原理如下：在系统上电时，通过电阻r 1 向电容c 1 充电， 当c 1 两端的电压未达到高电平的门限电压时，r e s e t 端输出为低电平，系统处 于复位状态；当c 1 两端的电压达到高电平的门限电压时，r e s e t 端输出为高电 平，系统进入正常工作状态。 当用户按下按钮s 1 时，c i 两端的电荷被泻放掉，r e s e t 端输出为低电平， 系统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。 两级t i 3 电路用于按钮去抖动和波形整形；n r e s e t 端的输出状态与r e s e t 端 相反，以用于高电平复位的器件；通过调整r 1 和c 1 的参数，可调整复位状态 的时间【删。 ( 3 ) h a s h 存储器接口电路 h a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写、掉电后信息不丢失 的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程 ( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各 种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，h a s h 在系统中 通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等 i 垌。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 下面，使用h y 2 9 l v l 6 0 来构建h a s h 存储系统。由于a r m 微处理器的体 系结构支持8f f 1 6 位，3 2 位的存储器系统，对应的可以构建8 位的h a s h 存储器 系统、1 6 位的h a s h 存储器系统或3 2 位的h a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系 统具有较高的性能，而1 6 位的存储器系统则在成本及功耗方面占有优势，而8 武汉理工大学硕士学位论文 位的存储器系统现在已经很少使用。因此这里使用1 6 位的f l a s h 存储器系统。 a d d r o a d d r l a d d r 2 a d d r 3 a d d r 4 a d d r 5 a d d r 6 a d d r 7 a d d 髓 a d d r 9 a d d r l 0 a d d r l l a d i m l 2 a d d r l 3 a d d r l 4 a d d r l 5 a d d r l 6 a d d r l 7 a d d r 培 a d d r l 9 a d d r 2 0 v s sb 1 m v s sv c c 图2 31 6 位f l a s h 存储器系统电路图 图2 3 为1 6 位f l a s h 存储器系统的实际应用电路图。在大多数的系统中，选 用一片1 6 位的f l a s h 存储器芯片( 常见单片容量有1 m b 、2 m b 、4 m b 、8 m b 等) 构建1 6 位的f l a s h 存储系统已经足够，在此采用一片h y 2 9 l v l 6 0 构建1 6 位的 f l a s h 存储器系统，其存储容量为2 m b 。f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程 序代码，系统上电或复位后从此获取指令并开始执行，因此，应将存有程序代 码的f l a s h 存储器配置到r o m s r a m f i _ a s hb a n k 0 ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的 n r c s o ( p i n 7 5 ) 接至h y 2 9 l v l 6 0 的c e # 端。 h y 2 9 l v l 6 0 的砌鸯e t # 端接系统复位信号； o e # 端接$ 3 c 4 5 1 0 1 3 的n o e ( p i n 7 2 ) ： w e # 端$ 3 c 4 5 1 0 b 的n w b e ( p i n l 0 0 ) ： b y t e # 上拉，使h y 2 9 l v l 6 0 工作在字模式( 1 6 位数据宽度) ； r y b y # 指示h y 2 9 【，v 1 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但其工作状态也可 通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空； 地址总线【a 1 9 a 0 1 与s 3 c a t 5 1 0 b 的地址总线 a d d r l 9 a d d r 0 相连； 堕柚舡他从=2雠m越脚觚舭胁心!耄觚脚瞄m 弘一一控一珂一一悖一坞一8一，一054一，一0一，一船一 武汉理工大学硕士学位论文 1 6 位数据总线【d q l 5 d 0 0 】与$ 3 c 4 5 1 0 b 的低1 6 位数据总线 x d a t a l 5 x d a t a o i 相连。 此时应$ 3 c 4 5 1 0 b 的b o s i z e i ：0 置为1 0 ，选择r o m s r a m f l a s hb a n k 0 为1 6 位工作方式。 ( 4 ) s d r a m 接口电路 与f l a s h 存储器相比较，s d r